Java內(nèi)存模型與線程

Java內(nèi)存模型

主內(nèi)存與工作內(nèi)存

• Java內(nèi)存模型的主要目標是定義程序中各個變量的訪問規(guī)則面殖，即在虛擬機中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細節(jié)私杜。
  • 變量（Variables）與Java編程中所說的變量有所區(qū)別轨蛤，它包括了實例字段、 靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對象的元素，但不包括局部變量與方法參數(shù)，因為后者是線程私有的恤筛，不會被共享，自然就不會存在競爭問題芹橡。
• Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存（Main Memory）中毒坛。 每條線程還有自己的工作內(nèi)存。線程的工作內(nèi)存中保存了被該線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝林说，線程對變量的所有操作（讀取煎殷、 賦值等）都必須在工作內(nèi)存中進行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量腿箩。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量豪直，線程間變量值的傳遞均需要通過主內(nèi)存來完成。
  
  圖1 線程珠移、 主內(nèi)存弓乙、 工作內(nèi)存三者的交互關(guān)系

內(nèi)存間交互操作

Java內(nèi)存模型中定義了以下8種操作來完成主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間具體的交互協(xié)議，虛擬機實現(xiàn)時必須保證下面提及的每一種操作都是原子的钧惧、 不可再分的

• lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量暇韧，它把一個變量標識為一條線程獨占的狀態(tài)。
• unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存的變量浓瞪，它把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來懈玻，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。
• read（讀惹洹）：作用于主內(nèi)存的變量涂乌，它把一個變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動作使用英岭。
• load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量湾盒，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。
• use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量巴席，它把工作內(nèi)存中一個變量的值傳遞給執(zhí)行引擎历涝，每當虛擬機遇到一個需要使用到變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作诅需。
• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量漾唉，它把一個從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量，每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節(jié)碼指令時執(zhí)行這個操作堰塌。
• store（存儲）：作用于工作內(nèi)存的變量赵刑，它把工作內(nèi)存中一個變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write操作使用场刑。
• write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量般此，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中蚪战。

如果要把一個變量從主內(nèi)存復(fù)制到工作內(nèi)存，那就要順序地執(zhí)行read和load操作铐懊，如果要把變量從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存邀桑，就要順序地執(zhí)行store和write操作。

Java內(nèi)存模型還規(guī)定了在執(zhí)行上述8種基本操作時必須滿足如下規(guī)則：

• 不允許read和load科乎、 store和write操作之一單獨出現(xiàn)壁畸，即不允許一個變量從主內(nèi)存讀取了，但工作內(nèi)存不接受茅茂，或者從工作內(nèi)存發(fā)起回寫了但主內(nèi)存不接受的情況出現(xiàn)捏萍。
• 不允許一個線程丟棄它的最近的assign操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須把該變化同步回主內(nèi)存空闲。
• 不允許一個線程無原因地（沒有發(fā)生過任何assign操作）把數(shù)據(jù)從線程的工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中令杈。一個新的變量只能在主內(nèi)存中“誕生”，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變量碴倾，換句話說逗噩，就是對一個變量實施use、 store操作之前跌榔，必須先執(zhí)行過了assign和load操作给赞。
• 一個變量在同一個時刻只允許一條線程對其進行l(wèi)ock操作，但lock操作可以被同一條線程重復(fù)執(zhí)行多次矫户，多次執(zhí)行l(wèi)ock后片迅，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作，變量才會被解鎖皆辽。
• 如果對一個變量執(zhí)行l(wèi)ock操作柑蛇，那將會清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個變量前驱闷，需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值耻台。
• 如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定，那就不允許對它執(zhí)行unlock操作空另，也不允許去unlock一個被其他線程鎖定住的變量盆耽。
• 對一個變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中（執(zhí)行store扼菠、 write操作）摄杂。

對于volatile型變量的特殊規(guī)則

當一個變量定義為volatile之后，它將具備兩種特性

• 第一是保證此變量對所有線程的可見性
  • 這里的“可見性”是指當一條線程修改了這個變量的值循榆，新值對于其他線程來說是可以立即得知的析恢。 而普通變量不能做到這一點，普通變量的值在線程間傳遞均需要通過主內(nèi)存來完成
  • volatile變量只能保證可見性秧饮，在不符合以下兩條規(guī)則的運算場景中映挂，我們?nèi)匀灰?strong>通過加鎖（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子類）來保證原子性
    • 運算結(jié)果并不依賴變量的當前值泽篮，或者能夠確保只有單一的線程修改變量的值。
    • 變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束柑船。
• 使用volatile變量的第二個語義是禁止指令重排序優(yōu)化
  • 指令重排序是指CPU采用了允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理帽撑。
  • 有volatile修飾的變量，賦值后（mov%eax鞍时，0x150（%esi））多執(zhí)行了一個“l(fā)ock addl ＄0x0油狂，（%esp）”操作，這個操作相當于一個內(nèi)存屏障（Memory Barrier或Memory Fence寸癌，指重排序時不能把后面的指令重排序到內(nèi)存屏障之前的位置）专筷，只有一個CPU訪問內(nèi)存時，并不需要內(nèi)存屏障蒸苇；但如果有兩個或更多CPU訪問同一塊內(nèi)存磷蛹，且其中有一個在觀測另一個，就需要內(nèi)存屏障來保證一致性
    • lock前綴的作用：使得本CPU的Cache寫入了內(nèi)存溪烤，該寫入動作也會引起別的CPU或者別的內(nèi)核無效化（Invalidate）其Cache
• volatile變量讀操作的性能消耗與普通變量幾乎沒有什么差別味咳，但是寫操作則可能會慢一些，因為它需要在本地代碼中插入許多內(nèi)存屏障指令來保證處理器不發(fā)生亂序執(zhí)行檬嘀。
• 在工作內(nèi)存中槽驶，每次使用V（被volatile修飾的變量）前都必須先從主內(nèi)存刷新最新的值，用于保證能看見其他線程對變量V所做的修改后的值

對于long和double型變量的特殊規(guī)則

對于64位的數(shù)據(jù)類型（long和double）鸳兽，在模型中特別定義了一條相對寬松的規(guī)定：允許虛擬機將沒有被volatile修飾的64位數(shù)據(jù)的讀寫操作劃分為兩次32位的操作來進行掂铐，但允許虛擬機選擇把這些操作實現(xiàn)為具有原子性的操作
在實際開發(fā)中，目前各種平臺下的商用虛擬機幾乎都選擇把64位數(shù)據(jù)的讀寫操作作為原子操作來對待揍异，因此我們在編寫代碼時一般不需要把用到的long和double變量專門聲明為volatile全陨。

原子性、 可見性與有序性

原子性（Atomicity）：由Java內(nèi)存模型來直接保證的原子性變量操作包括read衷掷、 load辱姨、assign、 use戚嗅、 store和write雨涛，我們大致可以認為基本數(shù)據(jù)類型的訪問（double和long是例外）讀寫是具備原子性的

• synchronized塊之間的操作也具備原子性。

可見性（Visibility）：可見性是指當一個線程修改了共享變量的值懦胞，其他線程能夠立即得知這個修改替久。

• volatile的特殊規(guī)則保證了新值能立即同步到主內(nèi)存，以及每次使用前立即從主內(nèi)存刷新医瘫。
• 除了volatile之外侣肄，Java還有兩個關(guān)鍵字能實現(xiàn)可見性，即synchronized和final醇份。
  • 同步塊的可見性是由“對一個變量執(zhí)行unlock操作之前稼锅，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中（執(zhí)行store、write操作）”
  • 被final修飾的字段在構(gòu)造器中一旦初始化完成僚纷，并且構(gòu)造器沒有把“this”的引用傳遞出去矩距，那在其他線程中就能看見final字段的值。

有序性（Ordering）：如果在本線程內(nèi)觀察怖竭，所有的操作都是有序的锥债；如果在一個線程中觀察另一個線程，所有的操作都是無序的痊臭。

• Java語言提供了volatile和synchronized兩個關(guān)鍵字來保證線程之間操作的有序性哮肚，volatile關(guān)鍵字本身就包含了禁止指令重排序的語義，而synchronized則是由“一個變量在同一個時刻只允許一條線程對其進行l(wèi)ock操作”這條規(guī)則獲得的广匙，這條規(guī)則決定了持有同一個鎖的兩個同步塊只能串行地進入允趟。

先行發(fā)生原則

先行發(fā)生是Java內(nèi)存模型中定義的兩項操作之間的偏序關(guān)系

• 程序次序規(guī)則（Program Order Rule）：在一個線程內(nèi)，按照程序代碼順序鸦致，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作潮剪。 準確地說，應(yīng)該是控制流順序而不是程序代碼順序分唾，因為要考慮分支抗碰、 循環(huán)等結(jié)構(gòu)。
• 管程鎖定規(guī)則（Monitor Lock Rule）：一個unlock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的lock操作绽乔。 這里必須強調(diào)的是同一個鎖弧蝇，而“后面”是指時間上的先后順序。
• volatile變量規(guī)則（Volatile Variable Rule）：對一個volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作折砸，這里的“后面”同樣是指時間上的先后順序捍壤。
• 線程啟動規(guī)則（Thread Start Rule）：Thread對象的start（）方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作。
• 線程終止規(guī)則（Thread Termination Rule）：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測鞍爱，我們可以通過Thread.join（）方法結(jié)束鹃觉、Thread.isAlive（）的返回值等手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。
• 線程中斷規(guī)則（Thread Interruption Rule）：對線程interrupt（）方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生睹逃，可以通過Thread.interrupted（）方法檢測到是否有中斷發(fā)生盗扇。
• 對象終結(jié)規(guī)則（Finalizer Rule）：一個對象的初始化完成（構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）先行發(fā)生于它的finalize（）方法的開始。
• 傳遞性（Transitivity）：如果操作A先行發(fā)生于操作B沉填，操作B先行發(fā)生于操作C疗隶，那就可以得出操作A先行發(fā)生于操作C的結(jié)論。

Java與線程

線程的實現(xiàn)

實現(xiàn)線程主要有3種方式：使用內(nèi)核線程實現(xiàn)翼闹、 使用用戶線程實現(xiàn)和使用用戶線程加輕量級進程混合實現(xiàn)斑鼻。

• 1.使用內(nèi)核線程實現(xiàn)
  內(nèi)核線程（Kernel-Level Thread,KLT）就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel，下稱內(nèi)核）支持的線程猎荠，這種線程由內(nèi)核來完成線程切換坚弱，內(nèi)核通過操縱調(diào)度器（Scheduler）對線程進行調(diào)度蜀备，并負責將線程的任務(wù)映射到各個處理器上。 每個內(nèi)核線程可以視為內(nèi)核的一個分身荒叶，這樣操作系統(tǒng)就有能力同時處理多件事情碾阁，支持多線程的內(nèi)核就叫做多線程內(nèi)核（MultiThreads Kernel）。
  • 程序一般不會直接去使用內(nèi)核線程些楣，而是去使用內(nèi)核線程的一種高級接口——輕量級進程（Light Weight Process,LWP）脂凶，輕量級進程就是我們通常意義上所講的線程，由于每個輕量級進程都由一個內(nèi)核線程支持愁茁，因此只有先支持內(nèi)核線程蚕钦，才能有輕量級進程。 這種輕量級進程與內(nèi)核線程之間1:1的關(guān)系稱為一對一的線程模型
    
    圖2 輕量級進程與內(nèi)核線程之間1:1的關(guān)系
  • 輕量級進程要消耗一定的內(nèi)核資源（如內(nèi)核線程的椂旌埽空間）嘶居，因此一個系統(tǒng)支持輕量級進程的數(shù)量是有限的。
• 2.使用用戶線程實現(xiàn)
  一個線程只要不是內(nèi)核線程道宅，就可以認為是用戶線程（User Thread,UT）
  
  圖3 進程與用戶線程之間1：N的關(guān)系

• 3.使用用戶線程加輕量級進程混合實現(xiàn)

  
  
  圖4 用戶線程與輕量級進程之間N：M的關(guān)系
• 4.Java線程的實現(xiàn)
  線程模型替換為基于操作系統(tǒng)原生線程模型來實現(xiàn)

Java線程調(diào)度

線程調(diào)度是指系統(tǒng)為線程分配處理器使用權(quán)的過程食听，主要調(diào)度方式有兩種，分別是協(xié)同式線程調(diào)度（Cooperative Threads-Scheduling）和搶占式線程調(diào)度（Preemptive ThreadsScheduling）污茵。

• 協(xié)同式線程調(diào)度：線程的執(zhí)行時間由線程本身來控制樱报，線程把自己的工作執(zhí)行完了之后，要主動通知系統(tǒng)切換到另外一個線程上泞当。
• 搶占式線程調(diào)度：每個線程將由系統(tǒng)來分配執(zhí)行時間迹蛤，線程的切換不由線程本身來決定

狀態(tài)轉(zhuǎn)換

Java語言定義了5種線程狀態(tài)，在任意一個時間點襟士，一個線程只能有且只有其中的一種狀態(tài)

• 新建（New）：創(chuàng)建后尚未啟動的線程處于這種狀態(tài)盗飒。
• 運行（Runable）：Runable包括了操作系統(tǒng)線程狀態(tài)中的Running和Ready，也就是處于此狀態(tài)的線程有可能正在執(zhí)行陋桂，也有可能正在等待著CPU為它分配執(zhí)行時間逆趣。
• 無限期等待（Waiting）：處于這種狀態(tài)的線程不會被分配CPU執(zhí)行時間，它們要等待被其他線程顯式地喚醒嗜历。 以下方法會讓線程陷入無限期的等待狀態(tài)：
  • 沒有設(shè)置Timeout參數(shù)的Object.wait（）方法宣渗。
  • 沒有設(shè)置Timeout參數(shù)的Thread.join（）方法蕉朵。
  • LockSupport.park（）方法捣郊。
• 限期等待（Timed Waiting）：處于這種狀態(tài)的線程也不會被分配CPU執(zhí)行時間，不過無須等待被其他線程顯式地喚醒舟奠，在一定時間之后它們會由系統(tǒng)自動喚醒暴匠。 以下方法會讓線程進入限期等待狀態(tài)：
  • Thread.sleep（）方法鞍恢。
  • 設(shè)置了Timeout參數(shù)的Object.wait（）方法。
  • 設(shè)置了Timeout參數(shù)的Thread.join（）方法。
  • LockSupport.parkNanos（）方法帮掉。
  • LockSupport.parkUntil（）方法弦悉。
• 阻塞（Blocked）： 在程序等待進入同步區(qū)域的時候，線程將進入這種狀態(tài)旭寿【ǎ“阻塞狀態(tài)”與“等待狀態(tài)”的區(qū)別是：“阻塞狀態(tài)”在等待著獲取到一個排他鎖崇败，這個事件將在另外一個線程放棄這個鎖的時候發(fā)生盅称；而“等待狀態(tài)”則是在等待一段時間，或者喚醒動作的發(fā)生后室。
• 結(jié)束（Terminated）：已終止線程的線程狀態(tài)缩膝，線程已經(jīng)結(jié)束執(zhí)行。
  
  圖5 線程狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系